Full-duplex ku-band phased array antenna using a compact rotman lens beamformer for satellite communications and radar front-end

Abstract

Este manuscrito apresenta um arranjo de antenas banda larga cofasadas de baixo custo que funciona em banda Ku para aplicações civis e militares, pode ser usada para detecção de direção de chegada em tempo real ou para estabelecer links de comunicação. Usando duas pilhas de lentes de Rotman compactas em planos espacialmente ortogonais, o sistema proposto é totalmente construído em uma estrutura plana de baixo perfil, compatível com processo de fabricação Sequential Build Up o qual pode ser fabricado em uma única placa como produto. O sistema proposto é compatível com o norma IPC-2252 para fabricação de circuitos de RF em PCB. Possui 15 feixes apontando em diferentes direções, com capacidade de varredura no hemisfério superior. Os feixes medidos estão de acordo com as simulações. Portanto, mostra-se que o sistema pode ser utilizado em aplicações móveis que precisam de alta taxa de comutação entre feixes, seja para adaptar a direção de apontamento durante o movimento do dispositivo ou para comutar o link para outro satélite. O front-end RF consiste de um arranjo de antenas de 4 por 4 células irradiantes, 3 lentes de Rotman 2D empilhadas de 5 entradas por 4 saídas e 4 lentes de Rotman 2D empilhadas de 3 entradas por 4 saídas. É apresentado seis modelos de células irradiantes, entretanto somente uma foi escolhida para ser fabricada. Os projetos incluem várias técnicas para aumentar a largura de banda de impedância e de relação axial. Essas técnicas foram validadas, provando que, apesar de antenas de microfita serem intrinsicamente banda estreita, elas podem ser aprimoradas para cobrir as frequências de recepção e transmissão na banda Ku. O ângulo de varredura das lentes do plano 𝜃 é de ±31 ∘ (elevação), e para as lentes do plano 𝜑 (azimute) de ±29 ∘ . Os valores medidos são consistentes com os valores simulados, mesmo com as imperfeições associados ao processo de fabricação o padrão de irradiação se mostrou robusto. A estrutura de baixo perfil foi viabilizado pela implementação da intitulada Capacitive Coupling Transition, a qual foi essencial em todas a placas, a transição consiste em utilizar a cola Prepreg como dielétrico entre duas placas metálicas para construir um capacitor e assim viabilizar o fluxo de potência RF. Este trabalho traz a fabricação e medição dessas transições